JP4756601B2 - Electrocatalyst and enzyme electrode - Google Patents

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Description

本発明は、電極触媒及び酵素電極に関し、さらに詳しくは、バイオセンサー、燃料電池などの各種電気化学デバイスの電極として用いられる酵素電極、及び酵素電極に用いられる電極触媒に関する。   The present invention relates to an electrode catalyst and an enzyme electrode, and more particularly to an enzyme electrode used as an electrode of various electrochemical devices such as a biosensor and a fuel cell, and an electrode catalyst used for the enzyme electrode.

酵素は、生体内の化学反応(代謝)を進行させる生体触媒であり、タンパク質を基本構造とする。酵素は、タンパク質のみからなるものもあるが、その多くは、触媒活性を発現させ又は触媒活性を高めるために、タンパク質以外の成分(補因子)を必要とする。
酵素は、
(1)常温、常圧付近の穏和な条件で触媒作用を示し、
(2)特定の基質(酵素によって作用を受ける物質)にのみ作用する「基質特異性」と、特定の化学反応に対して触媒作用を示し、副反応を起こさない「反応特異性」とを併せ持つ、
という特徴がある。
酵素の中でも、生体内の酸化還元を触媒する酵素を「酸化還元酵素(オキシドレドクターゼ)」という。また、酸素を電子受容体として基質を酸化させる酵素を特に「酸化酵素(オキシダーゼ)」といい、基質を還元させる酵素を特に「還元酵素(レダクターゼ)」という。電極表面にある種の酸化還元酵素を固定すると、酵素の触媒作用によって電極上で特定の酸化還元反応のみが選択的に進行し、酸化還元反応による物質の変化を電極により電気信号に変換することができる。このような電極は「酵素電極」と呼ばれており、各種のバイオセンサー、燃料電池などの電極に利用されている。
An enzyme is a biocatalyst that promotes a chemical reaction (metabolism) in a living body, and has a protein as a basic structure. Some enzymes consist only of proteins, but many of them require components (cofactors) other than proteins in order to express catalytic activity or enhance catalytic activity.
The enzyme
(1) Catalytic activity under mild conditions around normal temperature and normal pressure,
(2) Combined with “substrate specificity” that acts only on specific substrates (substances that are affected by enzymes) and “reaction specificity” that exhibits a catalytic action on specific chemical reactions and does not cause side reactions. ,
There is a feature.
Among enzymes, an enzyme that catalyzes redox in a living body is called “oxidoreductase”. In addition, an enzyme that oxidizes a substrate using oxygen as an electron acceptor is particularly referred to as an “oxidase”, and an enzyme that reduces a substrate is particularly referred to as a “reductase”. When a certain oxidoreductase is immobilized on the electrode surface, only a specific redox reaction proceeds selectively on the electrode due to the catalytic action of the enzyme, and the change of the substance due to the redox reaction is converted into an electrical signal by the electrode. Can do. Such an electrode is called an “enzyme electrode” and is used for various biosensors, fuel cells, and the like.

酵素を電極触媒として用いるためには、これを適当な担体表面に固定する必要がある。しかしながら、酵素は、一般に水溶性であるので、使用中に酵素が流出しやすいという問題がある。
また、酵素は、基質が特異的に結合し、触媒作用を受ける部位(活性中心)を持っている。活性中心は、複雑な立体構造を有するタンパク質の奥深いところに埋もれていることが多いので、電極との間で直接、電子の授受を行うのが難しい。このような場合には、通常、酵素の活性部位まで侵入し、酵素と電子の受け渡しを行い、電極まで電子を運ぶ低分子物質が併用される。このような低分子物質は、「メディエータ」と呼ばれている。しかしながら、酵素/メディエータ間の電子移動速度は、それぞれの分子運動に依存するため、必ずしも十分ではなく、酵素電極の電流密度を制限する要因となる可能性があった。
In order to use an enzyme as an electrocatalyst, it is necessary to fix it on a suitable carrier surface. However, since the enzyme is generally water-soluble, there is a problem that the enzyme tends to flow out during use.
In addition, the enzyme has a site (active center) where the substrate specifically binds and is catalyzed. Since the active center is often buried deep in a protein having a complicated three-dimensional structure, it is difficult to exchange electrons directly with the electrode. In such a case, a low molecular weight substance that normally enters the active site of the enzyme, transfers the enzyme and electrons, and carries the electrons to the electrode is used in combination. Such low molecular weight substances are called “mediators”. However, since the electron transfer rate between the enzyme / mediator depends on the molecular motion of each, it is not always sufficient, which may be a factor limiting the current density of the enzyme electrode.

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、炭素原子及び窒素原子により骨格が形成されている含窒素炭素系材料からなる多孔体と、多孔体に担持されている酸化還元酵素とを備えた含窒素炭素系複合材料が開示されている。
同文献には、
(1) 含窒素炭素系材料は細孔表面に極性点が点在するため、これに酸化還元酵素を担持させると、タンパク質表面の親水基との間で水素結合等の新たな結合が生じ、タンパク質と担体との結合が強められる点、及び、
(2) 担体に担持させる酸化還元酵素として、ラッカーゼ、ジアホラーゼ、リポキシアミドデヒドロゲナーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、グルコースオキシダーゼ(他の糖を基質とするオキシダーゼを含む)、グルコースデヒドロゲナーゼ(他の糖を基質にするデヒドロゲナーゼを含む)が挙げられる点、
が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made.
For example, Patent Document 1 discloses a nitrogen-containing carbon-based composite including a porous body made of a nitrogen-containing carbon-based material having a skeleton formed of carbon atoms and nitrogen atoms, and an oxidoreductase supported on the porous body. A material is disclosed.
In the same document,
(1) Since nitrogen-containing carbon-based materials are interspersed with polar points on the surface of pores, when an oxidoreductase is supported on this, new bonds such as hydrogen bonds are formed with hydrophilic groups on the protein surface, The bond between the protein and the carrier is strengthened, and
(2) As oxidoreductases to be supported on a carrier, laccase, diaphorase, lipoxyamide dehydrogenase, alcohol dehydrogenase, glucose oxidase (including oxidase with other sugar as substrate), glucose dehydrogenase (dehydrogenase with other sugar as substrate) Point)
Is described.

また、特許文献2には、導電性部材と、酵素と、第1及び第2のメディエータとを有する酵素電極であって、第1のメディエータと第2のメディエータとが担体によって、導電性部材に固定化され、かつ第1のメディエータと第2のメディエータとは、互いに酸化還元電位が異なる酵素電極が開示されている。
同文献には、
(1) このような構成を採用することによって、導電性部材の実効表面積当たりの酵素担持密度を高くすることが可能となる点、
(2) 酵素との間で高速の電子移動を行うことが可能な第1のメディエータに加えて、第1のメディエータと導電性部材間の電荷輸送を行う第2のメディエータをさらに使用することによって、酵素と高速の電子移動を行うことが可能になる点、及び
(3) 酵素として、グルコースオキシダーゼ、ガラクトースオキシダーゼ、ビリルビンオキシダーゼ、ピルビン酸オキシダーゼ、D−またはL−アミノ酸オキシダーゼ、アミンオキシダーゼ、コレステロールオキシダーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ、チトクロムオキシダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、グルタミン酸デヒドロゲナーゼ、コレステロールデヒドロゲナーゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、ソルビトールデヒドロゲナーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、リンゴ酸デヒドロゲナーゼ、グリセロールデヒドロゲナーゼ,17Bヒドロキシステロイドデヒドロゲナーゼ、エストラジオール17Bデヒドロゲナーゼ、アミノ酸デヒドロゲナーゼ、グリセリルアルデヒド3−リン酸デヒドロゲナーゼ、3−ヒドロキシステロイドデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼ、カタラーゼ、ペルオキシダーゼ、グルタチオンレダクターゼ、NADH−チトクロムb5レダクターゼ、NADPH−アドレノキシンレダクターゼ、チトクロムb5レダクターゼ、アドレノドキシンレダクターゼ、硝酸レダクターゼが挙げられる点、
が記載されている。
Patent Document 2 discloses an enzyme electrode having a conductive member, an enzyme, and first and second mediators, wherein the first mediator and the second mediator are attached to the conductive member by a carrier. An enzyme electrode in which the first mediator and the second mediator are immobilized and have different redox potentials is disclosed.
In the same document,
(1) By adopting such a configuration, the enzyme carrying density per effective surface area of the conductive member can be increased,
(2) By further using a second mediator that performs charge transport between the first mediator and the conductive member in addition to the first mediator capable of performing high-speed electron transfer with the enzyme. And (3) as an enzyme, glucose oxidase, galactose oxidase, bilirubin oxidase, pyruvate oxidase, D- or L-amino acid oxidase, amine oxidase, cholesterol oxidase, Ascorbate oxidase, cytochrome oxidase, alcohol dehydrogenase, glutamate dehydrogenase, cholesterol dehydrogenase, aldehyde dehydrogenase, glucose dehydrogenase, fructose dehydrogenase, sorbitol Hydrogenase, lactate dehydrogenase, malate dehydrogenase, glycerol dehydrogenase, 17B hydroxysteroid dehydrogenase, estradiol 17B dehydrogenase, amino acid dehydrogenase, glyceryl aldehyde 3-phosphate dehydrogenase, 3-hydroxysteroid dehydrogenase, diaphorase, catalase, peroxidase, glutathione reductase, NADH-cytochrome b5 reductase, NADPH-adrenoxin reductase, cytochrome b5 reductase, adrenodoxin reductase, point that nitrate reductase is mentioned,
Is described.

特開2005−343775号公報JP 2005-343775 A 特開2006−058289号公報JP 2006-058289 A

酸化還元酵素は、一般に、基質と結合する活性中心の他に、活性中心との間で電子の授受を行うための部位(電子伝達ゲート)を持っている。生体内における酵素への電子伝達は、通常、メディエータに仲介されてなされているので、酵素の電子伝達ゲートは、タンパク質のポケット内部に埋もれていることが多い。このような状態の酵素を電極表面に固定すると、電子伝達ゲートと電極表面の距離はどうしても大きくなる。電子移動速度の常用対数は、距離に比例して遅くなるため、従来知られている酵素では、高い電子伝達効率は得られない。
この問題を解決するために、特許文献2に開示されているように、メディエータを併用することも考えられる。しかしながら、メディエータを併用する方法のみでは、電子伝達効率の向上に限界がある。また、十分量の電流密度が得られる酵素電極に適した酵素が報告された例は、従来にはない。
In general, the oxidoreductase has a site (electron transfer gate) for exchanging electrons with the active center in addition to the active center that binds to the substrate. Since electron transfer to an enzyme in a living body is usually mediated by a mediator, the electron transfer gate of the enzyme is often buried inside a protein pocket. When the enzyme in such a state is immobilized on the electrode surface, the distance between the electron transfer gate and the electrode surface inevitably increases. Since the common logarithm of the electron transfer speed becomes slower in proportion to the distance, a conventionally known enzyme cannot obtain a high electron transfer efficiency.
In order to solve this problem, it is conceivable to use a mediator in combination as disclosed in Patent Document 2. However, there is a limit in improving the electron transfer efficiency only by the method using the mediator together. In addition, there has been no example in which an enzyme suitable for an enzyme electrode capable of obtaining a sufficient current density has been reported.

本発明が解決しようとする課題は、電子伝達効率が高い酸化酵素からなる新規な電極触媒、及びこれを用いた酵素電極を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is to provide a novel electrode catalyst comprising an oxidase having high electron transfer efficiency, and an enzyme electrode using the same.

上記課題を解決するために本発明に係る電極触媒は、大腸菌由来CueOからなる。
また、本発明に係る酵素電極は、カーボン多孔体と、前記カーボン多孔体の表面に担持された大腸菌由来CueOからなる電極触媒とを備えている。
In order to solve the above-described problems, the electrode catalyst according to the present invention is made of Escherichia coli-derived CueO.
The enzyme electrode according to the present invention includes a carbon porous body and an electrode catalyst made of Escherichia coli-derived CueO supported on the surface of the carbon porous body.

マルチ銅酸化酵素の一種であるCueOを酵素電極用の触媒として用いると、従来の酸化還元酵素に比べて高い電流密度が得られる。
これは、以下の理由によると考えられる。
(1) CueOは、酸化反応を触媒する活性中心と、電子伝達ゲートが酵素分子中で分離しているために、電極固体表面に酵素を固定化しても触媒反応と電子伝達が同時に成し遂げられる。
(2) CueOは、電子伝達ゲートがより分子表面に存在しているので、固体表面に固定化された状態において電極との距離が小さくなり、電子移動の効率が向上する。
When CueO, which is a kind of multi-copper oxidase, is used as a catalyst for an enzyme electrode, a higher current density can be obtained than conventional oxidoreductases.
This is considered to be due to the following reason.
(1) Since CueO separates the active center that catalyzes the oxidation reaction and the electron transfer gate in the enzyme molecule, even if the enzyme is immobilized on the electrode solid surface, the catalytic reaction and the electron transfer can be achieved simultaneously.
(2) Since CueO has more electron transfer gates on the surface of the molecule, the distance from the electrode is reduced in the state of being fixed on the solid surface, and the efficiency of electron transfer is improved.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
本発明に係る電極触媒は、CueOからなる。
酸化還元酵素は、酸化還元反応を触媒する酵素であり、タンパク質の立体構造の中に活性中心と、電子伝達ゲートとを持つ。「活性中心」とは、基質が特異的に結合し、触媒作用を受ける部位をいう。「電子伝達ゲート」とは、活性中心との間で電子の授受を行うための部位をいう。
酸化還元酵素は、基質を酸化させる酸化酵素と、基質を還元させる還元酵素に大別される。いずれを電極触媒用酵素として使用するかは、電極の極性により異なる。すなわち、酵素を正極側の材料として用いる場合には、反応により電子を受け取ることができる(換言すれば、プロトンと酸素を基質として水を生成する反応を触媒することができる)酸化酵素を用いる。一方、酵素を負極側の材料として用いる場合には、反応により電子を放出する還元酵素を用いる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
The electrode catalyst according to the present invention is made of CueO.
An oxidoreductase is an enzyme that catalyzes a redox reaction, and has an active center and an electron transfer gate in the three-dimensional structure of a protein. “Active center” refers to a site where a substrate specifically binds and is catalyzed. “Electron transfer gate” refers to a site for transferring electrons to and from the active center.
An oxidoreductase is roughly classified into an oxidase that oxidizes a substrate and a reductase that reduces a substrate. Which one is used as an electrode catalyst enzyme depends on the polarity of the electrode. That is, when an enzyme is used as a material on the positive electrode side, an oxidase that can receive electrons by the reaction (in other words, can catalyze a reaction that generates water using protons and oxygen as substrates) is used. On the other hand, when an enzyme is used as the negative electrode material, a reductase that releases electrons by reaction is used.

また、酸化還元酵素は、固有の三次元構造を有する巨大分子であり、活性中心や電子伝達ゲートは、通常、三次元構造の開口部(くぼみ、割れ目)の奥に埋もれた状態になっている。この場合、活性中心及び電子伝達ゲートは、同一の開口部にあるものでも良く、あるいは、異なる開口部にあるものでも良い。
これらの中でも、電子伝達ゲートを含む第1の開口部と、活性中心を含む第2の開口部を備えた酸化還元酵素は、酵素が基質を触媒する際に、基質の移動が電子の移動と干渉することがない。そのため、同一の開口部に活性中心及び電子伝達ゲートを含む酵素に比べて、酵素/電極間の電子伝達効率が向上する。
特に、電子伝達ゲートを含む第1の開口部が活性中心を含む第2の開口部の対面にある酸化還元酵素は、第1の開口部を電極表面に近接させることにより電極/電子伝達ゲート間の電子伝達を極めて円滑に行うことができる。そのため、酵素/電極間の電子伝達効率がさらに向上する。
ここで、「第1の開口部が第2の開口部の対面にある」とは、第1の開口部がある面の法線方向と第2の開口部がある面の法線方向とのなす角が90°より大きいことをいう。2つの法線のなす角は、大きい方が好ましく、180°に近いほど良い。
In addition, oxidoreductase is a macromolecule with a unique three-dimensional structure, and the active center and electron transfer gate are usually buried in the back of the three-dimensional structure opening (indentation, crack). . In this case, the active center and the electron transfer gate may be in the same opening or in different openings.
Among these, the oxidoreductase having the first opening including the electron transfer gate and the second opening including the active center is such that when the enzyme catalyzes the substrate, the movement of the substrate is the movement of the electron. There is no interference. Therefore, the electron transfer efficiency between the enzyme / electrode is improved as compared with an enzyme including an active center and an electron transfer gate in the same opening.
In particular, the oxidoreductase in which the first opening including the electron transfer gate is opposite to the second opening including the active center is disposed between the electrode and the electron transfer gate by bringing the first opening close to the electrode surface. Can be transferred very smoothly. Therefore, the efficiency of electron transfer between the enzyme / electrode is further improved.
Here, “the first opening is opposite to the second opening” means that the normal direction of the surface having the first opening and the normal direction of the surface having the second opening are The angle formed is greater than 90 °. The angle formed by the two normals is preferably larger, and the closer to 180 °, the better.

酸化還元酵素の中でも、マルチ銅酸化酵素は、基質から取り出した電子を用いて分子状酸素を4電子還元し、水を生成する反応を触媒する。マルチ銅酸化酵素は、電子伝達ゲートとなる単核ブルー銅(タイプICu)と、活性中心となる三核銅クラスター(タイプIICu、タイプIIICu)があり、単核ブルー銅と三核銅クラスターは、それぞれ、異なる開口部の内部にある。しかも、2つの開口部は、それぞれ、タンパク質で形作られる立体構造の表面及び裏面にある。そのため、マルチ銅酸化酵素又はこれを遺伝子操作により改変した改変型酵素は、バイオセンサー、燃料電池等の各種電気化学デバイスに用いられる酵素電極の正極用の触媒として特に好適である。
マルチ銅酸化酵素としては、具体的には、ラッカーゼ、ビリルビンオキシダーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ、セルロプラスミン、CueO、バシラス属細菌の内生胞子コートタンパク質CotAなどがある。これらの中でも、CueO(特に、大腸菌の銅代謝関連オキシダーゼCueO(大腸菌由来CueO))は、これを酵素電極用の電極触媒として用いたときに、従来の酸化還元酵素に比べて高い電流密度が得られる。
Among the oxidoreductases, multi-copper oxidase catalyzes a reaction that generates four electrons of molecular oxygen using electrons taken out from a substrate to generate water. Multi-copper oxidase has mononuclear blue copper (type ICu) as an electron transfer gate and trinuclear copper cluster (type IICu, type IIICu) as an active center. Mononuclear blue copper and trinuclear copper cluster are Each is inside a different opening. Moreover, the two openings are respectively on the front and back surfaces of the three-dimensional structure formed by the protein. Therefore, multi-copper oxidase or a modified enzyme obtained by modifying this by gene manipulation is particularly suitable as a catalyst for the positive electrode of an enzyme electrode used in various electrochemical devices such as biosensors and fuel cells.
Specific examples of the multi-copper oxidase include laccase, bilirubin oxidase, ascorbate oxidase, ceruloplasmin, CueO, and endospore coat protein CotA of Bacillus bacteria. Among these, CueO (particularly, copper metabolism-related oxidase CueO of E. coli (CueO derived from E. coli)) has a higher current density than conventional oxidoreductases when used as an electrode catalyst for enzyme electrodes. It is done.

「CueO」とは、種々の菌株から採取されるマルチ銅酸化酵素の一種をいう。また、「大腸菌由来CueO」とは、大腸菌から採取されるCueOをいう。配列表の配列番号1に、天然型成熟CueOのアミノ酸配列(swissprot accession:Q8X947)を示す。
CueOは、菌株から直接採取された天然型CueOでも良く、あるいは、触媒活性及び電子伝達能を消失させない範囲において、遺伝子操作により天然型CueOのアミノ酸配列の一部を変更、削除等した改変型CueOであっても良い。
“CueO” refers to a type of multi-copper oxidase collected from various strains. Further, “E. coli-derived CueO” refers to CueO collected from E. coli. The amino acid sequence (swissprot access: Q8X947) of natural mature CueO is shown in SEQ ID NO: 1 in the sequence listing.
CueO may be natural CueO collected directly from a strain, or modified CueO in which a part of the amino acid sequence of natural CueO is changed or deleted by genetic manipulation within a range that does not lose catalytic activity and electron transfer ability. It may be.

次に、本発明に係る酵素電極について説明する。
本発明に係る酵素電極は、カーボン多孔体と、カーボン多孔体の表面に担持されたCueOからなる電極触媒とを備えている。CueOは、特に大腸菌由来CueOが好ましい。これらの内、CueO及び大腸菌由来CueOについては、上述した通りであるので、説明を省略する。
Next, the enzyme electrode according to the present invention will be described.
The enzyme electrode according to the present invention includes a carbon porous body and an electrode catalyst made of CueO supported on the surface of the carbon porous body. CueO is particularly preferably E. coli-derived CueO. Among these, CueO and Escherichia coli-derived CueO are the same as described above, and thus description thereof is omitted.

酵素を担持する担体には、カーボン多孔体を用いる。カーボン多孔体は、酵素/電極間の電子伝達を円滑に行うことができるだけでなく、細孔径が適切である場合には酵素を細孔内に物理的に担持でき、しかも酵素の失活を抑制できるので、担体として特に好適である。   A carbon porous body is used for the carrier supporting the enzyme. The carbon porous body not only facilitates electron transfer between the enzyme and the electrode, but also can physically support the enzyme in the pore when the pore size is appropriate, and also suppresses enzyme deactivation. Since it can be used, it is particularly suitable as a carrier.

担持成分である酵素の安定性及び活性を十分に向上させるためには、カーボン多孔体は、以下の[1.]〜[4.]のいずれか1以上の条件を備えているものが好ましい。
[1. 平均細孔径]
カーボン多孔体は、平均細孔径が2〜50nmであるものが好ましい。平均細孔径は、さらに好ましくは、2〜20nmである。平均細孔径が2nm未満では、細孔の大きさが酵素の大きさよりも小さくなることが多くなり、吸着性が低下する。一方、平均細孔径が50nmを超えると、比表面積の低下を招き、吸着性が低下する。また、平均細孔径が20nmを超えると、一部の酵素を担持する際に不都合が生じやすくなるおそれがある。
また、カーボン多孔体の平均細孔径は、酵素の分子径以上が好ましい。平均細孔径は、さらに好ましくは、酵素の分子径の1〜1.25倍程度である。カーボン多孔体の平均細孔径が前述の範囲にあると、酵素が細孔内に固定されやすくなる。酵素が細孔内に固定されると、熱による酵素の構造変化を細孔外壁が抑制するので、熱による酵素の失活を抑制することができ、熱的安定性が向上する。
なお、平均細孔径とは、後述する窒素吸着等温線から求められる細孔径分布において、分布ピークトップの細孔径値をいう。
In order to sufficiently improve the stability and activity of the enzyme that is the supporting component, the porous carbon body has the following [1. ] To [4. It is preferable to have one or more of the following conditions.
[1. Average pore diameter]
The carbon porous body preferably has an average pore diameter of 2 to 50 nm. The average pore diameter is more preferably 2 to 20 nm. When the average pore diameter is less than 2 nm, the pore size is often smaller than the enzyme size, and the adsorptivity is reduced. On the other hand, when the average pore diameter exceeds 50 nm, the specific surface area is reduced and the adsorptivity is reduced. Further, if the average pore diameter exceeds 20 nm, there is a risk that inconvenience is likely to occur when a part of the enzyme is supported.
The average pore diameter of the carbon porous body is preferably equal to or larger than the molecular diameter of the enzyme. The average pore diameter is more preferably about 1 to 1.25 times the molecular diameter of the enzyme. When the average pore diameter of the carbon porous body is in the above range, the enzyme is easily fixed in the pores. When the enzyme is immobilized in the pore, the outer wall of the pore suppresses the structural change of the enzyme due to heat, so that the inactivation of the enzyme due to heat can be suppressed, and the thermal stability is improved.
The average pore diameter means a pore diameter value at the top of the distribution peak in a pore diameter distribution obtained from a nitrogen adsorption isotherm described later.

[2. 細孔径分布]
カーボン多孔体は、細孔径分布領域が2〜100nmの範囲における全細孔容積を基準として、平均細孔径の±25%の範囲における細孔容量が60%以上であるものが好ましい。細孔径の均一性がこれより悪いと、酵素の担持に最適な細孔径以外の細孔が多くなり、酵素の安定性及び活性が不十分となるおそれがある。
[2. Pore size distribution]
The carbon porous body preferably has a pore volume of 60% or more in the range of ± 25% of the average pore diameter based on the total pore volume in the range of the pore diameter distribution range of 2 to 100 nm. If the uniformity of the pore diameter is worse than this, the number of pores other than the optimum pore diameter for supporting the enzyme increases, and the stability and activity of the enzyme may be insufficient.

[3. 比表面積]
カーボン多孔体は、比表面積が100m2/g以上であるものが好ましい。比表面積は、さらに好ましくは、500〜1000m2/gである。カーボン多孔体の比表面積が100m2/g未満の場合には、酵素との接触面積の低下及び酵素を取り込む細孔の減少が生じ、酵素の吸着性が低下する。
[3. Specific surface area]
The carbon porous body preferably has a specific surface area of 100 m 2 / g or more. The specific surface area is more preferably 500 to 1000 m 2 / g. When the specific surface area of the carbon porous body is less than 100 m 2 / g, the contact area with the enzyme decreases and the pores that take in the enzyme decrease, and the adsorptivity of the enzyme decreases.

[4. 細孔容量]
カーボン多孔体の細孔容量は、比表面積及び平均細孔径によっても変動するため特に限定されないが、0.1〜50ml/gが好ましい。細孔容量は、さらに好ましくは、0.2〜2.5ml/gである。
また、カーボン多孔体の細孔の内、酵素の分子径以上の細孔径を有する細孔の全容量は、担持された酵素の全体積以上が好ましい。
[4. Pore volume]
The pore volume of the carbon porous body is not particularly limited because it varies depending on the specific surface area and the average pore diameter, but is preferably 0.1 to 50 ml / g. The pore volume is more preferably 0.2 to 2.5 ml / g.
The total volume of pores having a pore diameter equal to or larger than the molecular diameter of the enzyme among the pores of the carbon porous body is preferably equal to or greater than the total volume of the supported enzyme.

なお、カーボン多孔体の比表面積及び細孔容量は、以下に述べる一般的な容量法測定により求めることができる。
すなわち、カーボン多孔体を容器に入れて液体窒素温度(−198℃)に冷却し、容器内に窒素ガスを導入して容量法によりその吸着量を求める。次いで、導入する窒素ガスの圧力を除々に増加させ、各平衡圧に対する窒素ガスの吸着量をプロットして窒素吸脱着等温線を得る。この窒素吸脱着等温線を用いて、SPE(Subtracting Pore Effect)法により比表面積及び細孔容量を算出することができる(K.Kaneko, C.Ishii, M.Ruike, H.Kuwabara, Carbon 30, 1075, 1986)。SPE法とは、αs−プロット法、t−プロット法等によってミクロ細孔解析を行い、ミクロ細孔の強いポテンシャル場の効果を取り除いて比表面積等を算出する方法であり、ミクロ細孔性多孔体の比表面積等の算出においてBET法よりも精度の高い方法である。
また、細孔径分布及び分布ピークトップの細孔径値は、得られた窒素吸脱着等温線からBJH解析により求めることができる(Barret E.P., Joyner L.G., Halenda P.H., Journal of American Chemical Society 73, 373, 1951)。
The specific surface area and pore volume of the carbon porous body can be determined by the general volumetric method described below.
That is, the carbon porous body is put in a container and cooled to a liquid nitrogen temperature (−198 ° C.), nitrogen gas is introduced into the container, and the adsorption amount is obtained by a volume method. Next, the pressure of the introduced nitrogen gas is gradually increased, and the nitrogen gas adsorption amount with respect to each equilibrium pressure is plotted to obtain a nitrogen adsorption / desorption isotherm. Using this nitrogen adsorption / desorption isotherm, the specific surface area and pore volume can be calculated by the SPE (Subtracting Pore Effect) method (K.Kaneko, C.Ishii, M.Ruike, H.Kuwabara, Carbon 30, 1075, 1986). The SPE method is a method in which micropore analysis is performed by αs-plot method, t-plot method, etc., and the effect of the strong potential field of micropores is removed to calculate the specific surface area and the like. This method is more accurate than the BET method in calculating the specific surface area of the body.
In addition, the pore size distribution and the pore size value of the distribution peak top can be obtained by BJH analysis from the obtained nitrogen adsorption / desorption isotherm (Barret EP, Joyner LG, Halenda PH, Journal of American Chemical Society 73, 373, 1951).

上述のような条件を満たすカーボン多孔体としては、具体的には、以下のようなものがある。
[1. メソポーラスカーボン粒子]
カーボン多孔体の第1の具体例は、メソポーラスカーボン粒子である。「メソポーラスカーボン粒子」とは、メソサイズ(2〜10nm)の細孔が規則配列した多孔質カーボン材料であって、2〜100nmの細孔径分布領域における全細孔容積(S0)に対する、2〜10nmの細孔径分布領域における全細孔容積(S)の割合(=S×100/S0)が80%以上であるものをいう。なお、このような細孔径分布は、XRD法及び窒素吸着法により測定することができる。
Specific examples of the carbon porous body that satisfies the above-described conditions include the following.
[1. Mesoporous carbon particles]
A first specific example of the carbon porous body is mesoporous carbon particles. “Mesoporous carbon particles” is a porous carbon material in which meso-sized (2 to 10 nm) pores are regularly arranged, and is 2 to 2 with respect to the total pore volume (S 0 ) in a pore diameter distribution region of 2 to 100 nm. The ratio (= S × 100 / S 0 ) of the total pore volume (S) in the pore diameter distribution region of 10 nm is 80% or more. Such pore size distribution can be measured by the XRD method and the nitrogen adsorption method.

[2. カーボンゲル]
カーボン多孔体の第2の具体例は、カーボンゲルである。「カーボンゲル」とは、メソサイズの細孔が不規則配列した多孔質カーボン材料であって、以下の(イ)及び(ロ)の条件を満たすものをいう。
(イ) スキャン領域2θ=0.5〜10°(CuKα線)においてX線回折ピークが認められない。
(ロ) 吸脱着等温線から計算された細孔径分布において、
分布ピークトップの細孔径値(d)が2nm以上10nm未満の範囲に存在する場合には、前記細孔径値(d)に対してd±2nmの細孔径領域に全細孔容量の60%以上が含まれており、
分布ピークトップの細孔径値(D)が10nm以上50nm以下の範囲に存在する場合には、前記細孔径値(D)に対して(0.75×D)〜(1.25×D)nmの細孔径領域に全細孔容量の60%以上が含まれる。
[2. Carbon gel]
A second specific example of the carbon porous body is carbon gel. The “carbon gel” is a porous carbon material in which meso-sized pores are irregularly arranged and satisfies the following conditions (a) and (b).
(A) No X-ray diffraction peak is observed in the scan region 2θ = 0.5 to 10 ° (CuKα ray).
(B) In the pore size distribution calculated from the adsorption / desorption isotherm,
When the pore diameter value (d) at the distribution peak top is in the range of 2 nm or more and less than 10 nm, 60% or more of the total pore volume in the pore diameter region of d ± 2 nm with respect to the pore diameter value (d). Is included,
When the pore diameter value (D) at the distribution peak top is in the range of 10 nm to 50 nm, (0.75 × D) to (1.25 × D) nm with respect to the pore diameter value (D). 60% or more of the total pore volume is included in the pore diameter region.

条件(イ)は、メソ細孔の規則配列の有無を表す。X線回折ピークは、そのピーク角度に相当するd値の周期構造が試料中にあることを意味する。従って、スキャン領域2θ=0.5〜10°(CuKα線)において1本以上のピークが認められるカーボン多孔体は、細孔が0.9〜17.7nmの周期で規則配列している、いわゆるメソポーラスカーボン(MPC)である。
一方、カーボンゲルは、スキャン領域2θ=0.5〜10°(CuKα線)においてX線回折ピークが認められない。これは、カーボンゲル中の細孔が周期的配列構造を有していないことを示している。カーボンゲルは、細孔が相互に連結した3次元的ネットワーク構造を有している。カーボンゲルを担体として用いると、その理由の詳細は不明であるが、メソポーラスカーボンを用いた場合に比べて、酵素の安定性及び活性が向上する。
Condition (A) represents the presence or absence of a regular arrangement of mesopores. The X-ray diffraction peak means that there is a periodic structure having a d value corresponding to the peak angle in the sample. Therefore, the carbon porous body in which one or more peaks are observed in the scan region 2θ = 0.5 to 10 ° (CuKα ray) has so-called pores regularly arranged with a period of 0.9 to 17.7 nm. Mesoporous carbon (MPC).
On the other hand, in the carbon gel, no X-ray diffraction peak is observed in the scan region 2θ = 0.5 to 10 ° (CuKα ray). This indicates that the pores in the carbon gel do not have a periodic arrangement structure. Carbon gel has a three-dimensional network structure in which pores are connected to each other. When carbon gel is used as a carrier, the details of the reason are unclear, but the stability and activity of the enzyme are improved as compared with the case where mesoporous carbon is used.

なお、X線回折測定(XRD)において、バックグラウンドノイズ強度に対するピーク強度の比が3未満のものは、X線回折ピークと認めない。すなわち、「スキャン領域2θ=0.5〜10°(CuKα線)においてX線回折ピークが認められない」とは、スキャン領域2θ=0.5〜10°(CuKα線)において、バックグラウンドノイズ強度に対するピーク強度の比が3以上のX線回折ピークが1本も観測されないことをいう。   In the X-ray diffraction measurement (XRD), a peak intensity ratio of less than 3 is not recognized as an X-ray diffraction peak. That is, “no X-ray diffraction peak is observed in the scan region 2θ = 0.5 to 10 ° (CuKα ray)” means that the background noise intensity in the scan region 2θ = 0.5 to 10 ° (CuKα ray). This means that no X-ray diffraction peak having a peak intensity ratio of 3 or more is observed.

条件(ロ)は、細孔径の均一性を表す。細孔分布が上述の範囲にあると、酵素の担持に最適な細孔径を持つ細孔の量が多くなるので、酵素の安定性及び活性が向上する。   The condition (b) represents the uniformity of the pore diameter. When the pore distribution is in the above range, the amount of pores having the optimum pore diameter for supporting the enzyme increases, so that the stability and activity of the enzyme are improved.

カーボンゲルは、上述の(イ)及び(ロ)に加えて、以下の(ハ)の条件をさらに備えているものが好ましい。
(ハ) カーボンゲルは、その細孔径分布において、分布ピークトップの細孔径値が2〜20nmであるものが好ましい。
カーボンゲルの細孔径値が2nm未満では、細孔の大きさが酵素の大きさよりも小さくなることが多いので、吸着性が低下する。一方、細孔径値が50nmを超えると、比表面積の低下を招き、吸着性が低下する。また、分布ピークトップの細孔径値が20nmを超えると、酵素を担持する際に不都合が生じるおそれがある。
It is preferable that the carbon gel further includes the following condition (c) in addition to the above (a) and (b).
(C) In the pore size distribution, the carbon gel preferably has a pore size value at the distribution peak top of 2 to 20 nm.
If the pore diameter value of the carbon gel is less than 2 nm, the pore size is often smaller than the enzyme size, so that the adsorptivity decreases. On the other hand, when the pore diameter value exceeds 50 nm, the specific surface area is reduced and the adsorptivity is reduced. Moreover, when the pore size value of the distribution peak top exceeds 20 nm, there is a possibility that inconvenience may occur when the enzyme is supported.

[3. 含窒素カーボンゲル]
カーボン多孔体の第3の具体例は、含窒素カーボンゲルである。「含窒素カーボンゲル」とは、その少なくとも表面近傍が含窒素炭素からなるカーボンゲルをいう。また、「表面」とは、外表面だけでなく、細孔の内表面も含まれる。表面近傍が含窒素炭素からなるカーボンゲルは、酵素の担持量、安定性及び活性が向上するという利点がある。
[3. Nitrogen-containing carbon gel]
A third specific example of the carbon porous body is a nitrogen-containing carbon gel. “Nitrogen-containing carbon gel” refers to a carbon gel in which at least the vicinity of the surface is composed of nitrogen-containing carbon. The “surface” includes not only the outer surface but also the inner surface of the pore. The carbon gel whose surface is made of nitrogen-containing carbon has the advantage that the amount of enzyme supported, stability and activity are improved.

含窒素カーボンゲル中のN原子とC原子との原子比(N/C比)は、0.01以上が好ましい。N/C比が0.01未満の場合、N原子が減少し、酵素と相互作用することが可能な吸着サイトが少なくなる。N/C比は、さらに好ましくは、0.05以上である。
一方、N/C比は、0.4以下が好ましい。N/C比が0.4を超えると、炭素骨格の強度が低下し、細孔構造を維持するのが困難となる。N/C比は、さらに好ましくは、0.3以下である。
なお、このような含窒素炭素におけるN/C比は、CHN元素分析又はXPSによって求めることができる。また、含窒素カーボンゲルに関するその他の点は、カーボンゲルと同様であるので、説明を省略する。
The atomic ratio (N / C ratio) between N atoms and C atoms in the nitrogen-containing carbon gel is preferably 0.01 or more. When the N / C ratio is less than 0.01, N atoms are reduced and the number of adsorption sites capable of interacting with the enzyme is reduced. The N / C ratio is more preferably 0.05 or more.
On the other hand, the N / C ratio is preferably 0.4 or less. When the N / C ratio exceeds 0.4, the strength of the carbon skeleton decreases, and it becomes difficult to maintain the pore structure. The N / C ratio is more preferably 0.3 or less.
The N / C ratio in such nitrogen-containing carbon can be obtained by CHN elemental analysis or XPS. Moreover, since the other point regarding nitrogen-containing carbon gel is the same as that of carbon gel, description is abbreviate | omitted.

電極触媒である酵素は、担体の表面に担持される。「担体の表面」とは、担体の外表面及び細孔の内表面をいう。酵素の少なくとも一部は、細孔の内表面に担持されているのが好ましい。細孔内に担持される酵素の量は、多いほどよい。
担体に担持される酵素の量は、酵素活性が示されれば特に制限はない。一般に、酵素の担持量が多くなるほど高い活性が得られる。実用上十分な活性を得るためには、酵素の担持量は、カーボン多孔体100質量部に対して0.01質量部以上が好ましい。一方、酵素の担持量が過剰になると、効果が飽和し、実益がない。従って、酵素の担持量は、カーボン多孔体100質量部に対して80質量部以下が好ましい。
The enzyme that is an electrode catalyst is supported on the surface of the carrier. “The surface of the carrier” refers to the outer surface of the carrier and the inner surface of the pores. It is preferable that at least a part of the enzyme is supported on the inner surface of the pore. The larger the amount of enzyme supported in the pore, the better.
The amount of the enzyme supported on the carrier is not particularly limited as long as the enzyme activity is shown. In general, the higher the amount of enzyme supported, the higher the activity. In order to obtain a practically sufficient activity, the amount of the enzyme supported is preferably 0.01 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the carbon porous body. On the other hand, when the amount of the enzyme loaded becomes excessive, the effect is saturated and there is no actual benefit. Therefore, the amount of the enzyme supported is preferably 80 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the carbon porous body.

本発明に係る酵素電極は、上述した担体及び酵素のみからなるものでも良く、あるいは、担体にさらに、カーボン多孔体−酵素間の電子の授受を促進するメディエータが担持されていても良い。担体表面にさらにメディエータを担持させると、より効率的な電子伝導が期待される。
メディエータとしては、具体的には、ABTS、WCNをはじめとする金属シアン化物、Os錯体等がある。これらのメディエータは、電極表面に固定化されていることが望ましく、このためにポリ−1−ビニルイミダゾールのようなポリマに結合し、不溶化して用いることが望ましい。さらにまた、メディエータを直接カーボン担体上に固定化しても良い。これらのメディエータは、単独で用いても良く、あるいは2種以上を組み合わせて用いても良い。
The enzyme electrode according to the present invention may be composed only of the carrier and the enzyme described above, or may further carry a mediator that promotes the transfer of electrons between the carbon porous body and the enzyme. When a mediator is further supported on the surface of the carrier, more efficient electron conduction is expected.
Specific examples of mediators include metal cyanides such as ABTS and WCN, and Os complexes. These mediators are preferably immobilized on the electrode surface, and for this purpose, it is desirable to bind to a polymer such as poly-1-vinylimidazole and insolubilize it. Furthermore, the mediator may be directly immobilized on the carbon support. These mediators may be used alone or in combination of two or more.

なお、本発明に係る酵素電極は、担体がシート状であるときには、電子伝導性の担体表面に酵素(及び、必要に応じてメディエータ)を担持させた状態のまま使用することができる。一方、担体が粉末状であるときには、酵素を担持した担体をさらに適当な金属電極(例えば、Pt電極)表面に固定して使用することもできる。   When the carrier is in the form of a sheet, the enzyme electrode according to the present invention can be used in a state where an enzyme (and a mediator if necessary) is carried on the surface of the electron conductive carrier. On the other hand, when the carrier is in the form of powder, the carrier carrying the enzyme can be further used by fixing it on the surface of a suitable metal electrode (for example, Pt electrode).

次に、担体に用いられるカーボン多孔体の製造方法について説明する。カーボン多孔体の内、メソポーラスカーボン、カーボンゲル、及び含窒素カーボンゲルは、以下のような方法により製造することができる。
[1. メソポーラスカーボンの製造方法]
メソポーラスカーボン粒子の製造方法は、特に限定されず、例えば、以下の方法により製造することができる。すなわち、メソ孔が規則配列したシリカ、チタニア等の多孔質粒子(鋳型)に対して、ショ糖、フルフリルアルコール等の有機分子を吸着、含浸させた後、不活性雰囲気下で炭素化する。その後、フッ酸や、NaOH/EtOH等により鋳型を溶解、除去すると、メソポーラスカーボン粒子が得られる。鋳型としては、例えば、シリカメソ多孔体MCM−48を使用することができる。
Next, the manufacturing method of the carbon porous body used for a support | carrier is demonstrated. Among the carbon porous bodies, mesoporous carbon, carbon gel, and nitrogen-containing carbon gel can be produced by the following method.
[1. Method for producing mesoporous carbon]
The method for producing mesoporous carbon particles is not particularly limited, and can be produced, for example, by the following method. That is, porous molecules (templates) such as silica and titania with regularly arranged mesopores are adsorbed and impregnated with organic molecules such as sucrose and furfuryl alcohol, and then carbonized under an inert atmosphere. Thereafter, when the template is dissolved and removed with hydrofluoric acid, NaOH / EtOH or the like, mesoporous carbon particles are obtained. As a template, for example, silica mesoporous material MCM-48 can be used.

[2. カーボンゲルの製造方法]
カーボンゲルの製造方法は特に限定されず、例えば、以下のような方法により製造することができる。
すなわち、まず、文献(R.W.Pekala, C.T.Alviso, F.M.Kong, and S.S.Hulsey, J.Non-cryst.Solids, vol.145, p.90(1992)参照)に記載の方法に準じて有機ゲルを合成する。すなわち、レゾルシノール等のフェノール樹脂とホルムアルデヒド等のアルデヒド類をアルカリ触媒又は酸触媒の存在下で反応させ、熟成させてフェノール樹脂からなる有機ゲルを得る。次に、得られた有機ゲルを乾燥させた後、不活性雰囲気下で焼成して炭素化させることにより、カーボンゲルを得ることができる。
[2. Method for producing carbon gel]
The manufacturing method of carbon gel is not specifically limited, For example, it can manufacture by the following methods.
That is, first, an organic gel is synthesized according to the method described in the literature (RWPekala, CTAlviso, FMKong, and SSHulsey, J. Non-cryst. Solids, vol. 145, p. 90 (1992)). That is, a phenol resin such as resorcinol and an aldehyde such as formaldehyde are reacted in the presence of an alkali catalyst or an acid catalyst, and aged to obtain an organic gel composed of the phenol resin. Next, after drying the obtained organic gel, the carbon gel can be obtained by baking and carbonizing in an inert atmosphere.

[3. 含窒素カーボンゲルの製造方法]
含窒素カーボンゲルを製造する方法は特に限定されず、例えば、以下のような方法により製造することができる。
(A) 一酸化窒素を用いてカーボンゲルにN原子を導入する方法。
カーボンゲルへのN原子の導入は、例えば、文献(P.Chambrion et al., Energy & Fuels vol.11, p.681-685(1997))に記載の方法に準じて実施することが可能である。すなわち、石英反応管中にカーボンゲルを配置し、ヘリウム気流下で950℃程度に加熱する。その後、ヘリウムで希釈されたNO(濃度1000ppm程度)を反応管へ導入し、600〜900℃程度の反応温度で反応させる。この反応に要する反応時間は特に限定されないが、反応時間を延長すれば炭素骨格中に取り込まれる窒素の量は増加する。
[3. Method for producing nitrogen-containing carbon gel]
The method for producing the nitrogen-containing carbon gel is not particularly limited, and for example, it can be produced by the following method.
(A) A method of introducing N atoms into carbon gel using nitric oxide.
The introduction of N atoms into the carbon gel can be performed, for example, according to the method described in the literature (P.Chambrion et al., Energy & Fuels vol.11, p.681-685 (1997)). is there. That is, a carbon gel is placed in a quartz reaction tube and heated to about 950 ° C. under a helium stream. Thereafter, NO diluted with helium (concentration of about 1000 ppm) is introduced into the reaction tube and reacted at a reaction temperature of about 600 to 900 ° C. The reaction time required for this reaction is not particularly limited, but if the reaction time is extended, the amount of nitrogen incorporated into the carbon skeleton increases.

(B) 熱CVD法によりカーボンゲル表面に含窒素炭素を析出させる方法。
この方法は、カーボンゲルの細孔内に含窒素有機化合物を導入し、その含窒素有機化合物を熱分解させることによってカーボンゲル表面に含窒素炭素を析出させる方法である。すなわち、まず、反応管にカーボンゲルを設置し、窒素、アルゴン等の不活性ガスを反応管に導入しながら所定の温度まで加熱する。次に、加熱状態を維持したまま、気体状態の含窒素有機化合物を反応管内に導入することによって、カーボンゲルの細孔内に含窒素有機化合物を導入させながら、所定時間のCVD反応を行う。これによって、カーボンゲルの細孔内にC原子及びN原子により骨格が形成されている含窒素炭素を析出させることができる。熱CVD法による析出工程は、反応雰囲気が酸化雰囲気である場合にはCの燃焼が起こるため、通常、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気で行われる。
(B) A method of depositing nitrogen-containing carbon on the surface of the carbon gel by a thermal CVD method.
In this method, a nitrogen-containing organic compound is introduced into the pores of the carbon gel, and the nitrogen-containing carbon is deposited on the surface of the carbon gel by thermally decomposing the nitrogen-containing organic compound. That is, first, a carbon gel is placed in a reaction tube and heated to a predetermined temperature while introducing an inert gas such as nitrogen or argon into the reaction tube. Next, a nitrogen-containing organic compound in a gaseous state is introduced into the reaction tube while maintaining the heated state, thereby performing a CVD reaction for a predetermined time while introducing the nitrogen-containing organic compound into the pores of the carbon gel. As a result, nitrogen-containing carbon having a skeleton formed of C atoms and N atoms can be deposited in the pores of the carbon gel. The precipitation step by the thermal CVD method is usually performed in an inert atmosphere such as nitrogen or argon because C combustion occurs when the reaction atmosphere is an oxidizing atmosphere.

ここで用いられる含窒素有機化合物としては、N原子を含む有機化合物であれば特に制限はなく、例えば、含窒素複素環式化合物、アミン類、イミン類、ニトリル類等が挙げられる。含窒素複素環式化合物としては、含窒素複素単環化合物及び含窒素縮合複素環化合物が挙げられる。
含窒素単環化合物としては、5員環化合物であるピロール及びその誘導体、ピラゾールやイミダゾール等のジアゾール類及びその誘導体、並びに、6員環化合物であるピリジン及びその誘導体、ピリダジンやピリミジンやピラジン等のジアジン類及びその誘導体、トリアジン類及び、メラミンやシアヌル酸等のトリアジン類誘導体等が挙げられる。
また、含窒素縮合複素環化合物としては、キノリン、フェナントロリン、プリン等が挙げられる。
The nitrogen-containing organic compound used here is not particularly limited as long as it is an organic compound containing an N atom, and examples thereof include nitrogen-containing heterocyclic compounds, amines, imines, and nitriles. Examples of the nitrogen-containing heterocyclic compound include a nitrogen-containing heterocyclic monocyclic compound and a nitrogen-containing condensed heterocyclic compound.
Nitrogen-containing monocyclic compounds include pyrrole and its derivatives as 5-membered ring compounds, diazoles and derivatives thereof such as pyrazole and imidazole, and pyridine and its derivatives as 6-membered ring compounds, pyridazine, pyrimidine and pyrazine, etc. Examples thereof include diazines and derivatives thereof, triazines, and triazine derivatives such as melamine and cyanuric acid.
Examples of the nitrogen-containing condensed heterocyclic compound include quinoline, phenanthroline, and purine.

アミン類としては、第1級〜第3級アミン、ジアミン類、トリアミン類、ポリアミン類、及びアミノ化合物等が挙げられる。
第1級〜第3級アミンとしては、メチルアミン、エチルアミン、ジメチルアミン及びトリメチルアミン等の脂肪族アミン、並びに、アニリン等の芳香族アミン及びその誘導体等が挙げられる。
アミノ化合物としては、エタノールアミン等のアミノアルコール等が挙げられる。
イミン類としては、ピロリジン及びエチルイミン等が挙げられる。
ニトリル類としては、アセトニトリル等の脂肪族ニトリル及びベンゾニトリル等の芳香族ニトリル等が挙げられる。
その他の含窒素有機化合物としては、ナイロン等のポリアミド類、ガラクトサミン等のアミノ糖、ポリアクリロニトリル糖の含窒素高分子化合物、アミノ酸及びポリイミド類等が挙げられる。
Examples of amines include primary to tertiary amines, diamines, triamines, polyamines, and amino compounds.
Examples of primary to tertiary amines include aliphatic amines such as methylamine, ethylamine, dimethylamine and trimethylamine, aromatic amines such as aniline, and derivatives thereof.
Examples of amino compounds include amino alcohols such as ethanolamine.
Examples of imines include pyrrolidine and ethylimine.
Examples of nitriles include aliphatic nitriles such as acetonitrile and aromatic nitriles such as benzonitrile.
Other nitrogen-containing organic compounds include polyamides such as nylon, amino sugars such as galactosamine, nitrogen-containing polymer compounds of polyacrylonitrile sugar, amino acids and polyimides.

熱CVD法による析出工程において、含窒素有機化合物が常温で液体状態である場合には、バブラ、マスフローポンプ等を用い、蒸気蒸発によって含窒素有機化合物を気体状態として反応管内に導入することができる。また、このときに窒素、アルゴン等をキャリアガスとして用いて気体状態の含窒素有機化合物の導入を行うことが好ましい。さらに、一度反応管内を流通させた気体が反応管の出口側から逆流しないように、反応管出口側に流動パラフィン等を入れたバブラを設置する等して逆流を防ぐことが好ましい。
含窒素有機化合物が常温で固体状態である場合には、加熱蒸発(昇華)器を反応管入口側に設置し、加熱によって含窒素有機化合物を気体状態として反応管へ導入することができる。また、このときの蒸発器の温度は、含窒素有機化合物が熱分解しない温度に調整する必要がある。
In the precipitation step by the thermal CVD method, when the nitrogen-containing organic compound is in a liquid state at room temperature, the nitrogen-containing organic compound can be introduced into the reaction tube as a gas state by vapor evaporation using a bubbler, a mass flow pump or the like. . At this time, it is preferable to introduce a nitrogen-containing organic compound in a gaseous state using nitrogen, argon or the like as a carrier gas. Furthermore, it is preferable to prevent backflow by installing a bubbler containing liquid paraffin or the like on the reaction tube outlet side so that the gas once circulated in the reaction tube does not flow back from the reaction tube outlet side.
When the nitrogen-containing organic compound is in a solid state at normal temperature, a heating evaporator (sublimation) can be installed on the reaction tube inlet side, and the nitrogen-containing organic compound can be introduced into the reaction tube as a gas state by heating. Moreover, the temperature of the evaporator at this time needs to be adjusted to a temperature at which the nitrogen-containing organic compound is not thermally decomposed.

含窒素有機化合物が重合性を有する場合には、予めカーボンゲルの細孔内で重合させておき、その後、反応管中、不活性雰囲気下で熱分解する方法をとることもできる。
さらに、含窒素有機化合物が加熱によって気化しないものである場合には、溶液吸着法や蒸発乾固法等によって、カーボンゲルの細孔内に予め含窒素有機化合物を導入し、これを不活性雰囲気下で熱分解することによって、カーボンゲルの細孔内に含窒素炭素を析出させることができる。
When the nitrogen-containing organic compound has polymerizability, it can be polymerized in advance in the pores of the carbon gel and then thermally decomposed in an inert atmosphere in a reaction tube.
Further, when the nitrogen-containing organic compound is not vaporized by heating, the nitrogen-containing organic compound is previously introduced into the pores of the carbon gel by a solution adsorption method, an evaporation to dryness method, etc. By carrying out thermal decomposition below, nitrogen-containing carbon can be deposited in the pores of the carbon gel.

熱CVD法による析出工程における反応温度は、含窒素有機化合物が熱分解及び炭素化する温度であれば特に限定されないが、300〜1000℃が好ましい。反応温度は、さらに好ましくは、500〜700℃である。反応温度が300℃未満の場合には、含窒素有機化合物の熱分解が起こりにくくなるため、含窒素炭素の析出速度が遅くなってしまい、反応時間及びエネルギー消費が大きくなる傾向がある。一方、反応温度が1000℃を超える場合には、炭素骨格中に炭素が残留し難いため、N/C比が低下する。   The reaction temperature in the precipitation step by the thermal CVD method is not particularly limited as long as the nitrogen-containing organic compound is thermally decomposed and carbonized, but is preferably 300 to 1000 ° C. The reaction temperature is more preferably 500 to 700 ° C. When the reaction temperature is less than 300 ° C., thermal decomposition of the nitrogen-containing organic compound is difficult to occur, so that the deposition rate of nitrogen-containing carbon is slowed, and the reaction time and energy consumption tend to increase. On the other hand, when the reaction temperature exceeds 1000 ° C., it is difficult for carbon to remain in the carbon skeleton, so the N / C ratio decreases.

析出工程において、カーボンゲルの細孔内に析出させる含窒素炭素の析出量は、特に制限されないが、カーボンゲル1g当たりの比表面積をYm2とした場合、(0.0001×Y)g以上であることが好ましい。含窒素炭素の析出量が(0.0001×Y)g未満の場合には、析出量が少ないため、N原子による吸着性の向上が得られなくなるおそれがある。 In the precipitation step, the amount of nitrogen-containing carbon deposited in the pores of the carbon gel is not particularly limited, but when the specific surface area per 1 g of the carbon gel is Ym 2 , it is (0.0001 × Y) g or more. Preferably there is. When the amount of nitrogen-containing carbon deposited is less than (0.0001 × Y) g, the amount of deposited is small, and thus there is a possibility that the adsorptive improvement by N atoms cannot be obtained.

析出量は、CVD反応時間と相関関係があり、CVD反応時間を調整することによって析出量を制御することができる。さらに、析出量は、CVD反応温度、カーボンゲルの種類、含窒素有機化合物の種類、及び含窒素有機化合物を導入する際の流量等によっても変化するが、それぞれの場合でCVD反応時間を適宜調整することによって析出量を調整することができる。   The amount of precipitation correlates with the CVD reaction time, and the amount of precipitation can be controlled by adjusting the CVD reaction time. Furthermore, the amount of precipitation varies depending on the CVD reaction temperature, the type of carbon gel, the type of nitrogen-containing organic compound, the flow rate when introducing the nitrogen-containing organic compound, etc., but the CVD reaction time is appropriately adjusted in each case. By doing so, the amount of precipitation can be adjusted.

次に、本発明に係る酵素電極の製造方法について説明する。
まず、カーボン多孔体の表面に酵素を担持させる。酵素の担持方法は、特に限定されるものではなく、昇華法、含浸法等の種々の方法を用いることができるが、含浸法が好適である。
Next, the method for producing the enzyme electrode according to the present invention will be described.
First, an enzyme is supported on the surface of the carbon porous body. The enzyme loading method is not particularly limited, and various methods such as a sublimation method and an impregnation method can be used, but an impregnation method is preferable.

含浸法による酵素の担持は、以下のように行う。すなわち、まず、酵素を沈殿が生じない濃度(好ましくは、0.1〜1000mg/ml)となるように水又は緩衝液に溶解させる。そして、その溶液が凍結することなく、また酵素が変性することのない温度(好ましくは、0〜50℃)で粉末状の担体を懸濁させ、又はシート状の担体を浸漬し、酵素と担体を接触させる。接触時間は、少なくとも5分以上が好ましく、さらに好ましくは、30分以上である。これにより担体の表面又は細孔内に酵素が固定される。
溶液中に担体を懸濁させる際の濃度は特に制限されないが、0.1〜1000mg/ml程度とすることが好ましい。また、担持工程の後に、さらに遠心分離等を行って担体を溶液と分離して取り出す工程を有していても良い。あるいは、乾燥等を行って液体成分を除去しても良い。
Enzyme loading by the impregnation method is performed as follows. That is, first, the enzyme is dissolved in water or a buffer so as to have a concentration at which precipitation does not occur (preferably, 0.1 to 1000 mg / ml). Then, the powder carrier is suspended at a temperature (preferably 0 to 50 ° C.) at which the solution does not freeze and the enzyme is not denatured, or the sheet carrier is immersed, and the enzyme and carrier Contact. The contact time is preferably at least 5 minutes or more, more preferably 30 minutes or more. As a result, the enzyme is immobilized on the surface or pores of the carrier.
The concentration at which the carrier is suspended in the solution is not particularly limited, but is preferably about 0.1 to 1000 mg / ml. Moreover, you may have the process of isolate | separating and taking out a support | carrier from a solution by performing centrifugation etc. after the carrying | support process. Alternatively, the liquid component may be removed by drying or the like.

担体にメディエータを担持させる方法は、担体に酵素を担持させる方法と同様の方法を用いることができる。また、担体に酵素と電子移動媒体とを同時に担持させても良い。   As a method for supporting the mediator on the carrier, a method similar to the method for supporting the enzyme on the carrier can be used. Further, the enzyme and the electron transfer medium may be simultaneously supported on the carrier.

次に、本発明に係る電極触媒及び酵素電極の作用について説明する。
図1に、マルチ銅酸化酵素の一種である大腸菌由来CueOの分子構造を示す(Sue A.Roberts et al., PNAS, vol.99(2002), 2766-2771)。図1に示すように、CueOは、タンパク質の立体構造の中に、電子伝達ゲートとして機能する単核ブルー銅(タイプICu)と、活性中心となる三核銅クラスター(タイプIICu、タイプIIICu)があり、単核ブルー銅と三核銅クラスターは、それぞれ、異なる開口部の内部にある(片岡 邦重、生化学、第77巻(2005年)、第148頁〜第153頁)。また、2つの開口部は、それぞれ、タンパク質で形作られる立体構造の表面及び裏面にある。さらに、天然型CueOは、単核ブルー銅の上部がへリックス5と呼ばれるらせん状分子で覆われている。
Next, the operation of the electrode catalyst and the enzyme electrode according to the present invention will be described.
FIG. 1 shows the molecular structure of CueO derived from E. coli, which is a kind of multi-copper oxidase (Sue A. Roberts et al., PNAS, vol. 99 (2002), 2766-2771). As shown in FIG. 1, CueO has mononuclear blue copper (type ICu) functioning as an electron transfer gate and trinuclear copper clusters (type IICu, type IIICu) serving as active centers in the three-dimensional structure of the protein. Yes, mononuclear blue copper and trinuclear copper clusters are in different openings, respectively (Kunishige Kataoka, Biochemistry, Vol. 77 (2005), pp. 148-153). In addition, the two openings are respectively on the front and back surfaces of the three-dimensional structure formed by the protein. Furthermore, natural type CueO has mononuclear blue copper covered with helical molecules called helix 5 at the top.

このようなCueOを酵素電極用の電極触媒として用いると、従来の酸化還元酵素に比べて高い電流密度が得られる。
その理由の詳細は不明であるが、以下の理由によると考えられる。
(1) CueOは、酸化反応を触媒する活性中心と、電子伝達ゲートが酵素分子中で分離しているために、電極固体表面に酵素を固定化しても触媒反応と電子伝達が同時に成し遂げられる。
(2) CueOは、電子伝達ゲートがより分子表面に存在しているので、固体表面に固定化された状態において電極との距離が小さくなり、電子移動の効率が向上する。
When such CueO is used as an electrode catalyst for an enzyme electrode, a higher current density can be obtained compared to a conventional oxidoreductase.
Although the details of the reason are unknown, it is thought to be due to the following reasons.
(1) Since CueO separates the active center that catalyzes the oxidation reaction and the electron transfer gate in the enzyme molecule, even if the enzyme is immobilized on the electrode solid surface, the catalytic reaction and the electron transfer can be achieved simultaneously.
(2) Since CueO has more electron transfer gates on the surface of the molecule, the distance from the electrode is reduced in the state of being fixed on the solid surface, and the efficiency of electron transfer is improved.

また、CueOを担体に固定する場合において、所定の細孔径、細孔分布及び比表面積を有するカーボン多孔体を用いると、高い電流密度が得られる。
これは、
(1) 酵素の大半をカーボン多孔体の細孔内に固定することができるので、担体/酵素間の電子の移動が容易になるため、及び、
(2) 細孔壁によってタンパク質の立体構造の変化が抑制されるので、熱による失活が軽減され、熱的安定性が向上するため、
と考えられる。
また、カーボン多孔体としてカーボンゲルを用いると、高い電子伝達効率が得られる。これは、酵素の担持に適した細孔を多量に有していること、細孔が相互に連結した3次元的ネットワークを形成していること等によると考えられる。
さらに、カーボン多孔体として含窒素カーボンゲルを用いると、長期間に渡って高い電子伝達効率を維持することができる。これは、カーボンゲルに窒素を導入することによって細孔内壁に極性基が導入され、タンパク質表面の親水基との間に水素結合等の新たな結合が生じるためと考えられる。
Moreover, when fixing CueO to a support | carrier, when a carbon porous body which has a predetermined pore diameter, pore distribution, and specific surface area is used, a high current density is obtained.
this is,
(1) Since most of the enzyme can be fixed in the pores of the carbon porous body, the electron transfer between the carrier / enzyme is facilitated, and
(2) Since the change in the three-dimensional structure of the protein is suppressed by the pore wall, the deactivation due to heat is reduced and the thermal stability is improved.
it is conceivable that.
Further, when carbon gel is used as the carbon porous body, high electron transfer efficiency can be obtained. This is considered to be due to having a large amount of pores suitable for enzyme loading, and forming a three-dimensional network in which the pores are interconnected.
Furthermore, when nitrogen-containing carbon gel is used as the carbon porous body, high electron transfer efficiency can be maintained over a long period of time. This is presumably because the introduction of nitrogen into the carbon gel introduces polar groups into the pore inner walls, and new bonds such as hydrogen bonds occur with the hydrophilic groups on the protein surface.

(実施例1、比較例1、2)
[1. 試験方法]
大腸菌由来CueO(実施例1)、ウルシ由来ラッカーゼ(比較例1)、又は、Myrotheciumu sp.由来ビリルビンオキシダーゼ(BOD)(比較例2)をリン酸緩衝液(0.05M、pH7.0)に溶解し、8μMの酵素溶液を調製した。
あらかじめ酸素を飽和させておいた上記酵素溶液を用いて、HOPG(highly orientede pyrolytic graphite)電極を作用極としてサイクリックボルタムグラム法(電位:−50〜650mV、掃引速度:20mV/sec)により、酵素と電極間の直接電子移動特性を評価した。対極には白金電極を、参照極には銀/塩化銀電極を用いた。
(Example 1, Comparative Examples 1 and 2)
[1. Test method]
E. coli-derived CueO (Example 1), Urushi-derived laccase (Comparative Example 1), or Myrotheciumu sp.-derived bilirubin oxidase (BOD) (Comparative Example 2) is dissolved in phosphate buffer (0.05 M, pH 7.0). 8 μM enzyme solution was prepared.
Using the above enzyme solution saturated with oxygen in advance, a cyclic voltamgram method (potential: −50 to 650 mV, sweep speed: 20 mV / sec) using a HOPG (highly oriented pyrolytic graphite) electrode as a working electrode, The direct electron transfer characteristics between enzyme and electrode were evaluated. A platinum electrode was used as the counter electrode, and a silver / silver chloride electrode was used as the reference electrode.

[2. 結果]
図2に、サイクリックボルタムグラムを示す。図2より、ラッカーゼ(比較例1)及びBOD(比較例2)の静止状態における0Vの酸化電流密度は、−500μA/cm2以下であるのに対し、大腸菌由来CueOの静止状態における0Vの酸化電流密度は、約−2000μA/cm2であることがわかる。
[2. result]
FIG. 2 shows a cyclic voltamgram. From FIG. 2, the oxidation current density of 0 V in the quiescent state of laccase (Comparative Example 1) and BOD (Comparative Example 2) is −500 μA / cm 2 or less, whereas the oxidation of 0 V in the quiescent state of CueO from Escherichia coli. It can be seen that the current density is about −2000 μA / cm 2 .

(実施例2、3、比較例3、4)
[1. カーボンゲルの作製]
レゾルシノール5.5g(和光純薬)及び炭酸ナトリウム26.5mg(和光純薬)を蒸留水16.9gに溶解させ、その後37%ホルムアルデヒド溶液8.1g(和光純薬)を加えて攪拌混合した。混合溶液は、薄黄色透明となった。なお、各成分のモル比は、レゾルシノール:炭酸ナトリウム:ホルムアルデヒド=200:1:400である。
次に、得られた原液に水を加えて、体積比で2倍に希釈した。希釈した溶液をバイアル瓶に入れて密栓し、室温で24時間、50℃で24時間、さらに90℃で72時間静置し、水和された有機ゲルを得た。
(Examples 2 and 3, Comparative Examples 3 and 4)
[1. Preparation of carbon gel]
Resorcinol 5.5 g (Wako Pure Chemical Industries) and sodium carbonate 26.5 mg (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were dissolved in 16.9 g of distilled water, and then a 37% formaldehyde solution 8.1 g (Wako Pure Chemical Industries) was added and mixed with stirring. The mixed solution became light yellow and transparent. In addition, the molar ratio of each component is resorcinol: sodium carbonate: formaldehyde = 200: 1: 400.
Next, water was added to the obtained undiluted | stock solution, and it diluted by 2 times by volume ratio. The diluted solution was put in a vial and sealed, and allowed to stand at room temperature for 24 hours, at 50 ° C. for 24 hours, and further at 90 ° C. for 72 hours to obtain a hydrated organic gel.

次に、有機ゲル中の水分を除去するために、交換溶媒であるアセトン(和光純薬)中に有機ゲルを浸漬した。有機ゲルをアセトン中に浸漬すると、有機ゲル中の水分がアセトン中に拡散し、ゲル中の水分をアセトンに置換することができる。水分の拡散が飽和したところで、アセトンを新品に交換する操作を数回繰り返し、ゲル中の水分を完全にアセトンに置換した。次いで、浸漬溶媒をn−ペンタン(和光純薬)に変更し、有機ゲル中のアセトンがn−ペンタンに完全に入れ替わるまで、溶媒交換−浸漬を繰り返した。さらに、n−ペンタンに溶媒置換された有機ゲルを風乾させ、乾燥有機ゲルを得た。
得られた乾燥有機ゲルを窒素気流下(流量300ml/min)、1000℃で加熱し、有機ゲルを炭化させた。加熱時間は、6時間とした。
Next, in order to remove the moisture in the organic gel, the organic gel was immersed in acetone (Wako Pure Chemical) as an exchange solvent. When the organic gel is immersed in acetone, the moisture in the organic gel diffuses into the acetone, and the moisture in the gel can be replaced with acetone. When the diffusion of moisture was saturated, the operation of replacing the acetone with a new one was repeated several times to completely replace the moisture in the gel with acetone. Next, the immersion solvent was changed to n-pentane (Wako Pure Chemical Industries), and the solvent exchange-immersion was repeated until acetone in the organic gel was completely replaced with n-pentane. Furthermore, the organic gel solvent-substituted with n-pentane was air-dried to obtain a dried organic gel.
The obtained dried organic gel was heated at 1000 ° C. under a nitrogen stream (flow rate: 300 ml / min) to carbonize the organic gel. The heating time was 6 hours.

[2. 酵素電極の作製]
5%PDVF(Polyviniylidine Difluoride)を含有するNMP(N-Methyl-pyrrolidone)溶液に6.7%量のカーボンゲル(実施例2)あるいはケッチェンブラック(実施例3)を懸濁したスラリーを調製し、直径6mmのグラッシーカーボン電極(BAS社製、型番:002012)表面に上記スラリーを添加、スピンコート(3000rpm)してカーボン担体を電極表面にコートした。得られたカーボン修飾電極を大腸菌由来CueO水溶液(12.5mg/ml)に4℃で1晩浸漬することにより、酵素をカーボン修飾電極に固定化した。
また、同様の手順に従い、ウルシ由来ラッカーゼをカーボンゲル(比較例3)あるいはケッチェンブラック(比較例4)修飾電極に固定した。
[2. Preparation of enzyme electrode]
A slurry in which 6.7% carbon gel (Example 2) or Ketjen Black (Example 3) is suspended in an NMP (N-Methyl-pyrrolidone) solution containing 5% PDVF (Polyviniylidine Difluoride) is prepared. The slurry was added to the surface of a glassy carbon electrode having a diameter of 6 mm (manufactured by BAS, model number: 002012) and spin-coated (3000 rpm) to coat the surface of the electrode with a carbon support. The obtained carbon-modified electrode was immersed in an E. coli-derived CueO aqueous solution (12.5 mg / ml) at 4 ° C. overnight to immobilize the enzyme on the carbon-modified electrode.
Further, according to the same procedure, urushi-derived laccase was immobilized on a carbon gel (Comparative Example 3) or ketjen black (Comparative Example 4) modified electrode.

[3. 試験方法]
[2.]で得られた各種酵素電極を作用電極として、サイクリックボルタムグラム法(電位:200〜500mVの間で電流掃引、掃引速度20mV/sec)により電極の電気特性を評価した。対極には、白金を用い、参照極には、銀/塩化銀電極を用いた。電解質には、酸素を飽和させた50mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)を用いた。さらに、電気特性の評価は、電解液及び酵素電極の双方を静止させた状態で行った。
[3. Test method]
[2. The electrical characteristics of the electrodes were evaluated by the cyclic voltamgram method (electric potential: current sweep between 200 to 500 mV, sweep speed 20 mV / sec) using the various enzyme electrodes obtained in the above. Platinum was used for the counter electrode, and a silver / silver chloride electrode was used for the reference electrode. As the electrolyte, a 50 mM potassium phosphate buffer solution (pH 7.0) saturated with oxygen was used. Furthermore, the electrical characteristics were evaluated in a state where both the electrolytic solution and the enzyme electrode were stationary.

[4. 結果]
図3に、サイクリックボルタムグラムを示す。図3より、ケッチェンブラックに比べ、カーボンゲルでは、ラッカーゼ、CueO共に電流量が増加することがわかる。特に、CueO/CGの組み合わせでは、200mVでの電流密度は、ラッカーゼ/KBに比べて約7倍に増加した。
[4. result]
FIG. 3 shows a cyclic voltamgram. From FIG. 3, it can be seen that the amount of current increases for both laccase and CueO in the carbon gel as compared with ketjen black. In particular, in the CueO / CG combination, the current density at 200 mV increased about 7 times compared to laccase / KB.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る電極触媒は、バイオセンサー、燃料電池等の各種電気化学デバイス、太陽電池等の電極触媒として使用することができる。
また、本発明に係る酵素電極は、バイオセンサー、燃料電池等の各種電気化学デバイス、太陽電池等の電極として使用することができる。
The electrode catalyst according to the present invention can be used as an electrode catalyst for various electrochemical devices such as biosensors and fuel cells, and solar cells.
The enzyme electrode according to the present invention can be used as an electrode for various electrochemical devices such as biosensors and fuel cells, and solar cells.

マルチ銅酸化酵素の一種である大腸菌由来CueOの分子構造である。It is the molecular structure of Escherichia coli-derived CueO, which is a kind of multi-copper oxidase. 各種マルチ銅酸化酵素を含む酵素溶液のサイクリックボルタムグラムである。It is a cyclic voltamgram of the enzyme solution containing various multi copper oxidase. 各種カーボン担体に担持された各種マルチ銅酸化酵素を含む酵素電極のサイクリックボルタムグラムである。It is a cyclic voltagram of an enzyme electrode containing various multi-copper oxidases supported on various carbon carriers.

Claims (4)

大腸菌由来CueOからなる電極触媒。 An electrode catalyst comprising CueO derived from E. coli . カーボン多孔体と、
前記カーボン多孔体の表面に担持された大腸菌由来CueOからなる電極触媒と
を備えた酵素電極。
Carbon porous body,
An enzyme electrode comprising: an electrocatalyst made of Escherichia coli-derived CueO supported on the surface of the carbon porous body.
前記カーボン多孔体は、以下の(イ)及び(ロ)の条件を満たすカーボンゲルである請求項2に記載の酵素電極。
(イ)スキャン領域2θ=0.5〜10°(CuKα線)においてX線回折ピークが認められない。
(ロ)吸脱着等温線から計算された細孔径分布において、
分布ピークトップの細孔径値(d)が2nm以上10nm未満の範囲に存在する場合には、前記細孔径値(d)に対してd±2nmの細孔径領域に全細孔容量の60%以上が含まれており、
分布ピークトップの細孔径値(D)が10nm以上50nm以下の範囲に存在する場合には、前記細孔径値(D)に対して(0.75×D)〜(1.25×D)nmの細孔径領域に全細孔容量の60%以上が含まれる。
The carbon porous body, the following (i) and (ii) satisfying carbon gel der Ru enzyme electrode according to claim 2.
(A) No X-ray diffraction peak is observed in the scan region 2θ = 0.5 to 10 ° (CuKα ray).
(B) In the pore size distribution calculated from the adsorption / desorption isotherm,
When the pore diameter value (d) at the distribution peak top is in the range of 2 nm or more and less than 10 nm, 60% or more of the total pore volume in the pore diameter region of d ± 2 nm with respect to the pore diameter value (d). Is included,
When the pore diameter value (D) at the distribution peak top is in the range of 10 nm to 50 nm, (0.75 × D) to (1.25 × D) nm with respect to the pore diameter value (D). 60% or more of the total pore volume is included in the pore diameter region.
前記カーボン多孔体−前記CueO間の電子の授受を促進するメディエータをさらに備えた請求項2又は3に記載の酵素電極。 The enzyme electrode according to claim 2 or 3, further comprising a mediator that promotes transfer of electrons between the carbon porous body and the CueO.
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